聚乙烯大口徑特厚壁管生產工藝技術研究

尹偉華(四川森普管材股份有限公司)

自1954年聚乙烯管用于壓力管道系統以來，取得了長足的進步。但在發展過程中，聚乙烯(PE)壓力管道制造商一直被大口徑特厚壁管道(直徑≥500mm，壁厚≥45mm)生產所困惑。由于聚乙烯產品是熱的不良導體，在生產聚乙烯管道時，管材壁厚內部在一段時間內將保持熔融狀態，管壁越厚，其持續的時間越長。壁厚中間熔融體在重力的作用下沿管壁向下流動，從而改變壁厚厚度的分布，這種現象被稱為融垂(見圖1)。融垂造成管道正上方和正下方壁厚相對較薄，從正上方往下沿管壁部分逐漸增厚，通常在正對管道斷面的225°左右和315°左右位置達到壁厚最厚。

聚乙烯管道承壓能力是以聚乙烯原材料性能和管壁厚度獲取的，這使得聚乙烯管道在向大口徑和高承壓能力方向發展過程中受到難以逾越的阻力。如果大口徑高承壓能力管道在生產過程中不能很好的解決融垂問題，將使具有很好發展前景的聚乙烯管道在大口徑和高壓力等級領域中途折戈。

GB/T13663-2000《給水用聚乙烯(PE)管材》標準中6.3.3壁厚及偏差中明確規定：管材的最小壁厚ey,m in等于公稱壁厚en。換言之，因融垂原因引起的壁厚超差部分則是材料浪費，所以，研究解決聚烯烴管道加工過程中的融垂問題，對于降低企業生產成本，增強產品市場競爭力具有非常重要的作用。

對于解決大口徑特厚壁管道在生產過程中因融垂而引起的壁厚分布不均現象，我進行了如下幾方面的研究。

一、原材料的選擇。在確保原材料性能的情況下盡可能選擇具有低融垂性能的原材料，如北歐化工的HS3490-LS-H。該料抗融垂非常好，在大口徑特厚壁管道生產過程中具有常規材料不可比擬的性能。據資料記載：應用于穿越博斯普魯斯海峽輸送飲用水到伊斯坦布爾的管道，是Firat于2007年選用一種特別抗融垂的PE100原料進行生產加工，直徑1200mm的PE100級管道管壁厚度達到109.1mm。

二、工藝參數設置。在確保聚乙烯材料充分熔融塑化和良好擠出的情況下，盡可能降低材料的加工溫度。降低材料加工溫度主要是降低熔融材料的熱焓，便于在有限的冷卻條件下減少其受重力影響而導致的熔融材料流動的時間和距離，從而減緩融垂現象。例如：上海石化YGH 041原料加工工藝溫度設置：機筒一段至五段為60℃、190℃、195℃、205℃、210℃；機筒與模頭過渡段為190℃-200℃；模頭各溫區設置為175℃-190℃。

三、口模與芯棒間隙的調整。口模與芯棒間隙的調整主要就是考慮到聚乙烯材料在加工過程中由于重力不可避免的存在融垂現象。通過調整口模與芯棒的相對偏移量，達到上面的坯料厚度比下面的坯料厚度大，而左右坯料厚度一致的效果。結合經驗和實際加工壁厚，一般的口模與芯棒的相對偏移量2.5-4mm(常規聚乙烯原材料),即上下坯料厚度差為5-8mm。

四、管道內部的冷卻問題。這是該項研究的重點。現行聚乙烯管道加工過程中主要是靠霧化水對管道外表面進行冷卻，內表面靠自然冷卻，中間層靠向內外表面傳導熱冷卻。經研究發現：在生產過程中，管道內壁向管道內部的空氣輻射熱量，內部受熱的熱空氣由于沒有對流的條件，造成熱空氣基本停滯不流動，當內部熱空氣溫度與管道內壁溫度一致時，管道唯一冷卻方式就只有靠管道外表面霧化水帶走管道傳導出的熱量進行冷卻，這種方式大大降低了管道的冷卻效率，進而影響生產效率和加重管道的融垂現象。例如：dn630 PE100 SDR11的管道，最小管道壁厚達到57.2mm，出口模的熔融坯料要在生產線上運行40米左右才能基本定型，需要近7個小時的時間。所以管道生產過程中內表面的冷卻成為制約產品生產質量和效率的重要因素。為提高管道生產過程中管道內表面的冷卻效率，我探索并研制出一套管道內部冷卻裝置及應用方式，它以經處理的壓縮空氣為冷媒，將預處理好的壓縮空氣通過專用管道從模頭尾部預留孔進入到模具內部，再從模具芯棒中部的孔穿出并連接到專用冷卻裝置上，預處理的壓縮冷空氣對進入定徑套中部以后的預成型管道內壁進行冷卻，可以根據管道的內徑、壁厚來調節冷卻風量和冷卻段數。通過特殊的裝置將預處理的冷壓縮空氣傳遞到聚乙烯管道的內表面，經空氣對流將管道內表面的熱量帶走，從而實現管道外壁和內壁同時對管道進行冷卻的方式加快對管道的冷卻，冷卻效率提高，加快了管道的凝結和結晶時間，大大減緩了融垂的影響程度。經驗證：管道的冷卻效率和產品質量均提升50%以上。聚乙烯管道生產過程中融垂問題的解決，為聚乙烯管道向大口徑厚壁管方向突破奠定了堅實的基礎，特別是對于國產原料的推廣使用具有重大意義。

國家提倡低碳、節能、環保，解決好聚烯烴管道加工過程中的融垂問題，節省了原材料消耗，從而節約了石油資源和能耗消耗，對于國民經濟的發展具有重要的意義。

[1]孫遜編著 .聚烯烴管道.北京：化學工業出版社，2002.

[2]洪定一主編.塑料工業手冊.聚烯烴.北京：化學工業出版社，1999.

[3]李德祖主編.塑料加工技術應用手冊.北京：中國物資出版社，1997.

[4]建筑用管材標準匯編 非金屬卷 北京：中國標準出版社，2008.